Активный rc-фильтр нижних частот третьего порядка с дифференциальным входом на базе операционного усилителя с парафазным выходом
Владельцы патента RU 2695981:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)
Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в упрощении процедуры настройки основных параметров ФНЧ, а также в увеличении гарантированного затухания амплитудно-частотной характеристики за пределами рабочей полосы частот при низких значениях его выходных сопротивлений. Активный RC-фильтр содержит дифференциальный операционный усилитель с неинвертирующим и инвертирующим парафазными выходами, первый конденсатор, включённый между инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя и его неинвертирующим выходом, второй конденсатор, включённый между неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя и его инвертирующим выходом, также в схему включен пятый конденсатор, который включён между общим узлом последовательно соединенных пятого и шестого резисторов и первым выходом устройства, причём четвёртый конденсатор включён между общим узлом последовательно соединенных второго и третьего резисторов и вторым выходом устройства, седьмой резистор включён между общим узлом последовательно соединенных первого и второго резисторов и первым выходом устройства, восьмой резистор включён между общим узлом последовательно соединенных четвёртого и пятого резисторов и вторым выходом устройства. 3 ил.
Изобретение относится к области радиотехники, а также измерительной техники, и может использоваться, например, в качестве ограничителей спектра, включаемых на входе аналого-цифровых преобразователей различного назначения.
Активные RC-фильтры нижних частот (ФНЧ) широко используются в современной электронике [1-24] и оказывают существенное влияние на качественные показатели многих аналого-цифровых систем связи и автоматического управления [4-7]. При этом для АЦП с дифференциальным входом необходимы антиэлайзинговые RC-фильтры с дифференциальным выходом [25-39].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является активный RC-фильтр, описанный в патенте US 6.583.662 fig. 8c., 2003 г. Он содержит (фиг. 1) первый 1 и второй 2 дифференциальные входы устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные выходы устройства, дифференциальный операционный усилитель 5 с неинвертирующим 6 и инвертирующим 7 парафазными выходами, причём его неинвертирущий выход 6 соединён с первым 3 выходом устройства, а его инвертирующий 7 выход подключён ко второму 4 выходу устройства, первый 8 конденсатор, включённый между инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 5 и его неинвертирующим 6 выходом, второй конденсатор 9, включённый между неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 5 и его инвертирующим 7 выходом, первый 10, второй 11 и третий 12 резисторы, включённые последовательно друг с другом между первым 1 входом устройства и инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 5, четвёртый 13, пятый 14 и шестой 15 резисторы, включённые последовательно друг с другом между вторым 2 входом устройства и неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 5, седьмой 16 и восьмой 17 резисторы, третий 18 конденсатор, включённый между общим узлом последовательно соединенных первого 10 и второго 11 резисторов и общим узлом последовательно соединенных четвертого 13 и пятого 14 резисторов, четвёртый 19 конденсатор.
Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что при его реализации затруднена процедура настройки основных параметров амплитудно-частотной характеристики, что отрицательно сказывается на получении их оптимальных значений и уровне ослабления паразитных сигналов за пределами рабочей полосы частот.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в упрощении процедуры настройки основных параметров ФНЧ, а также в увеличении гарантированного затухания амплитудно-частотной характеристики за пределами рабочей полосы частот при низких значениях его выходных сопротивлений.
Поставленная задача достигается тем, что в активном RC-фильтре фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 дифференциальные входы устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные выходы устройства, дифференциальный операционный усилитель 5 с неинвертирующим 6 и инвертирующим 7 парафазными выходами, причём его неинвертирущий выход 6 соединён с первым 3 выходом устройства, а его инвертирующий 7 выход подключён ко второму 4 выходу устройства, первый 8 конденсатор, включённый между инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 5 и его неинвертирующим 6 выходом, второй конденсатор 9, включённый между неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 5 и его инвертирующим 7 выходом, первый 10, второй 11 и третий 12 резисторы, включённые последовательно друг с другом между первым 1 входом устройства и инвертирующий входом дифференциального операционного усилителя 5, четвёртый 13, пятый 14 и шестой 15 резисторы, включённые последовательно друг с другом между вторым 2 входом устройства и неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 5, седьмой 16 и восьмой 17 резисторы, третий 18 конденсатор, включённый между общим узлом последовательно соединенных первого 10 и второго 11 резисторов и общим узлом последовательно соединенных четвертого 13 и пятого 14 резисторов, четвёртый 19 конденсатор, предусмотрены новые элементы и связи – в схему введён пятый 20 конденсатор, который включён между общим узлом последовательно соединенных пятого 14 и шестого 15 резисторов и первым 3 выходом устройства, причём четвёртый 19 конденсатор включён между общим узлом последовательно соединенных второго 11 и третьего 12 резисторов и вторым 4 выходом устройства, седьмой 16 резистор включён между общим узлом последовательно соединенных первого 10 и второго 11 резисторов и первым 3 выходом устройства, восьмой 17 резистор включён между общим узлом последовательно соединенных четвёртого 13 и пятого 14 резисторов и вторым 4 выходом устройства.
На чертеже фиг. 1 показана схема фильтра-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого активного RC-фильтра нижних частот третьего порядка в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг. 3 представлено сравнение трех АЧХ предлагаемой схемы ФНЧ, полученных при компьютерном моделировании на ОУ THS4131 («1»), AD8132 («2») и теоретических расчетах («3»), выполненных по формуле (1).
Активный RC-фильтр нижних частот третьего порядка с дифференциальным входом на базе операционного усилителя с парафазным выходом фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 дифференциальные входы устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные выходы устройства, дифференциальный операционный усилитель 5 с неинвертирующим 6 и инвертирующим 7 парафазными выходами, причём его неинвертирущий выход 6 соединён с первым 3 выходом устройства, а его инвертирующий 7 выход подключён ко второму 4 выходу устройства, первый 8 конденсатор, включённый между инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 5 и его неинвертирующим 6 выходом, второй конденсатор 9, включённый между неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 5 и его инвертирующим 7 выходом, первый 10, второй 11 и третий 12 резисторы, включённые последовательно друг с другом между первым 1 входом устройства и инвертирующий входом дифференциального операционного усилителя 5, четвёртый 13, пятый 14 и шестой 15 резисторы, включённые последовательно друг с другом между вторым 2 входом устройства и неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 5, седьмой 16 и восьмой 17 резисторы, третий 18 конденсатор, включённый между общим узлом последовательно соединенных первого 10 и второго 11 резисторов и общим узлом последовательно соединенных четвертого 13 и пятого 14 резисторов, четвёртый 19 конденсатор. В схему введён пятый 20 конденсатор, который включён между общим узлом последовательно соединенных пятого 14 и шестого 15 резисторов и первым 3 выходом устройства, причём четвёртый 19 конденсатор включён между общим узлом последовательно соединенных второго 11 и третьего 12 резисторов и вторым 4 выходом устройства, седьмой 16 резистор включён между общим узлом последовательно соединенных первого 10 и второго 11 резисторов и первым 3 выходом устройства, восьмой 17 резистор включён между общим узлом последовательно соединенных четвёртого 13 и пятого 14 резисторов и вторым 4 выходом устройства.
Рассмотрим работу ФНЧ фиг. 2.
Передаточная функция схемы ФНЧ 3-го порядка, в т.ч. фиг. 2, в общем виде описывается выражением
|
|
(1) |
где М – коэффициент передачи фильтра на нулевой частоте, 
– коэффициенты передаточной функции, зависящие от топологии схемы и параметров её элементов.
При анализе работы схемы введем следующие обозначения: 
– сопротивления первого 10, второго 11, третьего 12, четвертого 13, пятого 14, шестого 15, седьмого 16 и восьмого 17 резисторов соответственно, 
– емкости первого 8, второго 9, третьего 18, четвертого 19 и пятого 20 конденсаторов соответственно.
При выполнении ряда условий
которые в схеме фиг. 2 необходимо обеспечить для симметричной работы каналов ФНЧ, коэффициенты передаточной функции (1) находятся по следующим формулам:
|
(2) |
Для сравнения на чертеже фиг. 3 представлены три АЧХ предлагаемой схемы ФНЧ, полученные при компьютерном моделировании на ОУ THS4131 («1»), AD8132 («2») и теоретических расчетах («3»), выполненных по формуле (1).
Незначительное отклонение АЧХ в области высоких частот (больше 50-80 МГц), полученной в результате моделирования схемы фиг. 3 с реальными ОУ («1», «2») от АЧХ, полученной расчетным путем («3») по формуле (1), связано с влиянием частотных свойств ОУ, которое не учитывалось при нахождении коэффициентов (2) передаточной функции (1).
Анализ графиков фиг. 3, полученных для разных типов применяемых ОУ (THS4131 и AD8132), показывает высокое совпадение теоретических расчетов и компьютерного моделирования в диапазоне частот до 50-80 МГц. При этом на данных частотах ослабление АЧХ превышает 120 дБ, что достаточно для многих применений.
Следует отметить, что существенным достоинством предлагаемого устройства являются низкие значения выходных сопротивлений, что позволяет уменьшить влияние нагрузки на амплитудно-частотные характеристики.
В заявляемом ФНЧ упрощается процедура настройки и оптимизации параметров его АЧХ. Это объясняется тем, что в схеме фиг. 2 коэффициент передачи М на нулевой частоте определяется отношением сопротивлений двух резисторов
В то же время аналогичный коэффициент передачи ФНЧ-прототипа фиг. 1 определяется отношением сопротивлений трех резисторов
При этом в предлагаемом ФНЧ резистор R11 может использоваться для установления заданных значений других параметров амплитудно-частотной характеристики. Это позволяет дополнительно оптимизировать другие параметры схемы и получить новое качество в ФНЧ – большую свободу в выборе параметров пассивных элементов.
Таким образом, предлагаемый ФНЧ, в сравнении с прототипом, имеет более высокие обобщенные показатели качества.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 6.583.662 fig. 8c, 2003г. прототип
2. THS413x High-Speed, Low-Noise, Fully-Differential I/O Amplifiers. SLOS318I –MAY 2000–REVISED AUGUST 2015. p. 20, fig. 41. URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ths4130.pdf
3. Analog Devces: AD8132. Low Cost, High Speed Differential Amplifier. p. 27, fig. 77. URL: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad8132.pdf
4. Выбор параметров аналоговых ограничителей спектра для цифровых систем обработки сигналов с учетом допусков и температурной нестабильности пассивных компонентов / Денисенко Д.Ю., Иванов Ю.И., Прокопенко Н.Н. // Радиотехника. – 2017. - № 1. – С.148-153
5. Estimation to Efficiency of the Using of Anti-Alias Filter in the A/D Interface of Instrumentation and Control Systems / L.K. Samoylov, N.N. Prokopenko, A.V. Bugakova // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2018), Kazan, Russia, September 14 - 17, 2018, pp. 422-425
6. Selection of the Band-Pass Range of the Normalizing Signal Transducer of the Sensing Element in the Instrumentation and Control Systems / L.K. Samoylov, N.N. Prokopenko, A.V. Bugakova // 2018 14th IEEE International Conference on Solid-State and Intergated Circuit Technology (ICSICT’2018). Proceedings. Oct.31-Nov.3, 2018, Qingdao, China
7. The Function Approximation of the Signal Delay Time in the Anti-Alias Filter of the A/D Interface of the Instrumentation and Control System / L.K. Samoylov, D.Yu.Denisenko, N.N. Prokopenko // 2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech-2018), October 22-23, 2018, Saint Petersburg, Russia
8. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем / Букашкин С.А., Власов В.П., Змий Б.Ф. и др.; Под. ред. А.А. Ланнэ. – М.: радио и связь, 1984. – 368 с.
9. Патент US 5.371.472, 1994 г.
10. Патент US 3.787.776, 1974 г.
11. Патентная заявка US 2007/0296496, 2007 г.
12. Патент RU 2370881, 2009 г.
13. Патент RU 2370882, 2009 г.
14. Патент RU 2370880, 2009 г.
15. Патент US 3.736.517, 1973 г.
16. Патент US 6.407.627, 2002 г.
17. Патент SU 1187241, 1985 г.
18. Патент US 6.344.773, 2002 г.
19. Патент US 6.710.644, 2004 г.
20. Патент SU 1777233, 1990 г.
21. Патент RU 2019023, 1994 г.
22. Патент SU 1202032, 1985 г.
23. Патент SU 1758823, 1990 г.
24. Патент RU 2249910, 2005 г.
25. Патент US 6.583.662, fig. 8c, 2003 г.
26. Патент US 6.369.647, fig. 9, 2002 г.
27. Патент US 6.344.773, fig. 5, 2002 г.
28. Патентная заявка US 2011/0170628, fig. 9, 2011 г.
29. Патентная заявка US 2009/0134954, 2009 г.
30. Патент US 5.418.492, fig. 1, 1995 гг.
31. Патентная заявка US 2011/0170628, fig. 18, 2011г.
32. Патентная заявка US 2012/0212288, fig. 11, 2012 г.
33. Патентная заявка US 2006/0255997, fig. 9b, 2006 г.
34. Патент US 9.294.048, fig.2, 2016 г.
35. Патент US 9.647.639, fig. 7, 2017 г.
36. Патент US 6.246.268, fig. 1, 2001 г.
37. Патент US 5.699.016, fig. 2, 1997 г.
38. Патент RU 376701, 1973 г.
39. Патент US 5.699.016, 1997 г.
Активный RC-фильтр нижних частот третьего порядка с дифференциальным входом на базе операционного усилителя с парафазным выходом, содержащий первый (1) и второй (2) дифференциальные входы устройства, первый (3) и второй (4) дифференциальные выходы устройства, дифференциальный операционный усилитель (5) с неинвертирующим (6) и инвертирующим (7) парафазными выходами, причём его неинвертирущий выход (6) соединён с первым (3) выходом устройства, а его инвертирующий (7) выход подключён ко второму (4) выходу устройства, первый (8) конденсатор, включённый между инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (5) и его неинвертирующим (6) выходом, второй конденсатор (9), включённый между неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (5) и его инвертирующим (7) выходом, первый (10), второй (11) и третий (12) резисторы, включённые последовательно друг с другом между первым (1) входом устройства и инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (5), четвёртый (13), пятый (14) и шестой (15) резисторы, включённые последовательно друг с другом между вторым (2) входом устройства и неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (5), седьмой (16) и восьмой (17) резисторы, третий (18) конденсатор, включённый между общим узлом последовательно соединенных первого (10) и второго (11) резисторов и общим узлом последовательно соединенных четвертого (13) и пятого (14) резисторов, четвёртый (19) конденсатор, отличающийся тем, что в схему введён пятый (20) конденсатор, который включён между общим узлом последовательно соединенных пятого (14) и шестого (15) резисторов и первым (3) выходом устройства, причём четвёртый (19) конденсатор включён между общим узлом последовательно соединенных второго (11) и третьего (12) резисторов и вторым (4) выходом устройства, седьмой (16) резистор включён между общим узлом последовательно соединенных первого (10) и второго (11) резисторов и первым (3) выходом устройства, восьмой (17) резистор включён между общим узлом последовательно соединенных четвёртого (13) и пятого (14) резисторов и вторым (4) выходом устройства.
